从0到1设计BUCK(4) | BUCK电路开关频率配置实战解析

1、背景简述

表 0.1 TPS54561DPRT参考电路实例的设计需求

图 0.1 BUCK转换器的详细设计流程

参考[ 从0到1设计BUCK(3) | BUCK降压电路芯片选型实战指南 ]，我们选择的非同步BUCK转换器芯片为TPS54561DPRT。

参考[ 从0到1设计BUCK(1) | BUCK设计流程，从需求定义到PCB布局的九大核心步骤 ]，图 0.1所示，在确定了BUCK芯片后，首先需要根据芯片特性进行开关频率配置，因为开关频率是开关电源中总领全局的参数，相当于一颗大树的树干。

图 0.2 TPS54561DPRT电路设计实例

图 0.2所示，这就是我们后续将要设计完成的TPS54561DPRT电路设计实例。

2.1 恒定的开关频率和定时电阻RT/CLK引脚

图 0.3 TPS54561DPRT芯片RT/CLK引脚

图 0.3所示，TPS54561DPRT芯片RT/CLK引脚用于配置开关频率或者同步外部时钟频率。

通过在RT/CLK引脚和GND引脚之间放置一个电阻，TPS54561的开关频率可以在100kHz到2500kHz的大范围内调节。RT/CLK引脚的电压通常为0.5V，必须有一个电阻到地才能设置开关频率。

要确定给定开关频率的定时电阻，可使用公式10或公式11或图 0.4曲线。

图 0.4 TPS54561DPRT芯片开关频率配置曲线

与以较低频率开关的电源相比，高开关频率允许使用低值电感器和较小的输出电容（整体的解决方案更小），但应考虑转换效率、最大输入电压和最小可控接通时间的权衡。

可以选择的开关频率受内部电源开关的最小导通时间、输入电压、输出电压和频率折返保护的限制。

参考文章[ 开关频率大小的限制因素是什么？ ][ 占空比大小的限制因素是什么？ ]…

2.2 最大开关频率

为了在较高的开关频率和输入电压下保护转换器的过载状况，TPS54561实现了频率折返。当FB引脚电压从0.8 V下降到0 V时，振荡器频率被除以1、2、4和8。

当输出电压被短路的负载强制降低时，电感电流在开关关闭时间内缓慢下降。频率折返通过（降低开关频率）增加开关周期有效地增加了关断时间，为电感电流提供了更多的时间来下降。

在最大频率折返比为8的情况下，有一个最大频率，电感电流可以通过频率折返保护来控制。

公式12计算了由最小可控接通时间和输入输出降压比设定的最大开关频率限制。将开关频率设置在该值以上将导致调节器跳过开关脉冲，以实现在最大输入电压下调节输出所需的低占空比。

公式13计算了最大的开关频率，当VOUT被强制到VOUT(SC)时，电感电流将保持在控制范围内。选择的工作频率不应超过公式12和公式13的计算值。

应使用公式12和公式13来计算稳压器的开关频率上限。从这两个公式中选择较低的值结果。开关频率高于这些值会导致脉冲跳过或在短路时缺乏过电流保护。

在表 0.1“设计需求”中，输出电压为5V，最大输入电压为60V，最大负载电流为5A。假设续流二极管电压为0.7V，功率电感的直流电阻为11mΩ，高边开关的导通电阻为87mΩ，电流极限值为6A，短路输出电压为0.1V。

注：此时，续流二极管、功率电感和高边开关MOSFET还未选型，续流二极管电压为0.7V、功率电感的直流电阻为11mΩ、高边开关的导通电阻为87mΩ相当于是期望值。

TPS54561DPRT芯片最小可控导通时间通常为135ns，这限制了在高输入输出降压比的应用中的最大工作频率，通过公式12计算，结果是公式28，708kHz。

最大开关频率也受到频率折返电路的限制，通过公式13计算，结果是公式29，855kHz。

此例选择较低的开关频率400 kHz，以便在计算出的最大值以下舒适地运行，通过公式11计算对应的配置电阻值，结果是公式30，242kΩ，最接近标准值的电阻是243 kΩ。

这里需要说明的是，不同的开关电源芯片开关频率配置所使用的技术不同，需要参考具体芯片规格书。参考文章[ 5.5 开关频率配置 ]，其中另有LM5088MHX-2/NOPB、LTC3707EGN-SYNC#PBF和ADP3020ARU三个芯片开关频率配置的实例。